CN102041345A - 用于转炉出钢监控的红外热像仪对焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于转炉出钢监控的红外热像仪对焦方法，该对焦方法通过红外热像仪采集钢流红外热图像，并通过计算机接收并计算出图像的灰度均值，根据镜头对焦位置的图像灰度均值最大的原理控制镜头电机驱动镜头进行自动对焦，从而能够快速自动完成对焦，满足转炉出钢的实时监控作业的需求。

Description

用于转炉出钢监控的红外热像仪对焦方法

技术领域

本发明涉及红外成像系统的对焦技术，更具体地说，涉及一种用于转炉出钢监控的红外热像仪对焦方法。

背景技术

随着图像处理技术以及图像采集设备等相关硬件的高速发展，利用图像处理方法来解决冶金行业中的检测和控制问题已越来越普及。而红外热像仪因其独有的特点，在冶金行业中被使用广泛。在红外成像系统中，由于红外辐射不是可见光，波长不在人眼感知范围内，使得人眼无法直接看见，因此红外热像仪与可见光成像系统(如照相机、摄像机等设备)有本质上的区别。

目前，国内外针对可见光成像系统的自动对焦方法比较多，而在红外热像仪自动对焦方法上相关的技术比较少，现有的红外热像仪成像系统基本都是采用手动调焦，或者是通过手工操作驱动电机来进行调焦。在实际使用中，红外热像仪成像系统需要人工操作多次，反复的调节镜头位置，观察图像的变化，才能找到聚焦位置。其缺点是对焦时间比较长，同时对焦模糊，每次对焦精度不同，图像质量有所差别。特别是在被测物体不断变化的情况下和需要快速成像的场合，采用人工来对焦就很困难，这样就直接限制了红外热像仪的使用范围。特别是在转炉出钢过程监控系统中，随着出钢时间不同转炉会不断的转动，引起出钢口与热像仪之间的距离不断发生变化，为了获得清晰的图像，必需要对热像仪进行不断快速对焦，而采用人工调焦的方式基本上很难满足实时监控的要求。

因此，迫切需要一种新的对焦方法来实现红外热像仪的快速成像作业。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺点，本发明的目的是提供一种用于转炉出钢监控的红外热像仪对焦方法，该对焦方法能够实现红外热像仪的自动快速对焦，从而满足转炉出钢的实时监控作业的需求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

该用于转炉出钢监控的红外热像仪对焦方法包括以下步骤：

A.采用红外热像仪镜头采集在初始位置的钢流红外热图像，并计算出初始位置的图像灰度均值；

B.控制镜头移动至另一位置，计算出该位置的图像灰度均值，并与初始位置的图像灰度均值比较，以确定镜头移动方向；

C.控制镜头沿步骤B中确定方向进行等距移动，分别获取各移动位置的图像灰度均值，并依次进行比较，直至确定镜头移动方向与前一次移动方向相反；

D.继续控制镜头沿步骤C中确定方向进行等距移动，且移动距离小于步骤C中的移动距离，同样分别获取各移动位置的图像灰度均值，并依次进行比较，直至确定镜头移动方向与前一次移动方向相反；

E.重复步骤C和D，并在每次镜头发生转向时，递减镜头的移动距离，从而控制镜头往复移动并逐步缩小移动范围，直至镜头处于对焦位置，完成对焦。

所述的步骤A包括：

A1.采用红外热像仪镜头采集一帧在初始位置的钢流红外热图像；

A2.选取图像中钢流所在位置的一块点阵区域，并提取点阵区域内的图像数据；

A3.根据图像数据计算出该图像的灰度均值，计算公式为

式中W和H分别为钢流图像的宽度和高度，x(i，j)为该图像中点(i，j)的灰度值，为该图像的灰度均值。

在所述的步骤A2中，选取的点阵区域的宽度大于钢流红外热图像的宽度，高度小于钢流红外热图像的高度。

所述的步骤A还包括：

A4.重复步骤A1至A3获得N帧初始位置图像的灰度均值，并再取平均得出该初始位置图像的最终灰度均值。

在所述的步骤B中：

若初次移动位置的图像灰度均值大于初始位置的图像灰度均值时，判定该镜头的下一移动方向与初次移动方向相同；

若初次移动位置的图像灰度均值小于初始位置的图像灰度均值时，判定该镜头的下一移动方向与初次移动方向反向。

在所述的步骤C和D中：

若后一次移动位置的图像灰度均值大于前一次位置的图像灰度均值时，判定该镜头的下一次移动方向与之前移动方向相同；

若后一次移动位置的图像灰度均值小于前一次位置的图像灰度均值时，判定该镜头的下一次移动方向与之前移动方向反向。

在所述的步骤E中：

当前后两位置的图像灰度均值之差的绝对值小于或等于对焦判定阀值，即判定镜头处于对焦位置；

或者，当镜头往复移动次数达到设定次数，即判定镜头处于对焦位置。

在上述技术方案中，本发明的用于转炉出钢监控的红外热像仪对焦方法通过红外热像仪采集钢流红外热图像，并通过计算机接收并计算出图像的灰度均值，根据镜头对焦位置的图像灰度均值最大的原理控制镜头电机驱动镜头进行自动对焦，从而能够快速自动完成对焦，满足转炉出钢的实时监控作业的需求。

附图说明

图1是本发明的红外热像仪镜头对焦的结构原理图；

图2是本发明的选取点阵区域的原理示意图；

图3是本发明的镜头位置与图像灰度均值的曲线关系图；

图4是本发明的对焦方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

首先，在此介绍一下本发明的用于转炉出钢监控的红外热像仪对焦方法的设计思想：红外热像仪镜头位置与采集图像的灰度均值之间的存在的曲线关系如图3所示，热像仪在不同的镜头位置对同一钢流所测量的图像灰度均值是不同的，而且热像仪镜头位置在对焦的情况下，采集图像的灰度值为最大。因此，只需找到灰度均值最大的图像位置，就是该镜头对焦的位置。

请结合图1、图2、图4所示，本发明的对焦方法正是利用了红外热像仪在对焦和离焦状态下，测量得到的钢流图像灰度均值存在差别这一特征，对红外镜头位置进行的调节，从而实现红外热像仪的自动对焦。图1以及图2中的1为转炉、2为钢包、3为红外热像仪、4为红外热像仪镜头、5为镜头电机、6为计算机、7为钢流。

对焦方法的具体步骤如下：

第一步，采用红外热像仪镜头4采集在初始位置的钢流红外热图像，并计算出初始位置的图像灰度均值；

第二步，通过镜头电机5控制镜头4移动至任意一位置，采用相同方式计算出该位置的图像灰度均值，并与初始位置的图像灰度均值比较，以确定镜头4移动方向；

第三步，继续控制镜头4沿第二步中的确定方向进行等距移动，分别获取各移动位置的图像灰度均值，并依次进行比较，直至确定镜头4移动方向与前一次移动方向相反；

第四步，继续控制镜头4沿第三步中的确定方向进行等距移动，且移动距离小于第三步中的移动距离，同样分别获取各移动位置的图像灰度均值，并依次进行比较，直至确定镜头4移动方向与前一次移动方向相反，从而可将对焦位置确定在第三、第四步骤中的两次转向位置之间的区域内；

第五步，重复第三、第四步骤，并且每次镜头4发生转向时，递减镜头4的移动距离，从而控制镜头4往复移动并逐步缩小移动范围，直至镜头4处于对焦位置，从而完成对焦。

第一步的详细步骤为：先采用红外热像仪采集一帧镜头4在初始位置的钢流红外热图像，请参阅图2所示，该钢流图像是灰度图像，灰度的大小反映了被测物体温度的高低；然后通过计算机6选取图像中钢流所在位置的一块点阵区域(图2中的虚线框)，并提取点阵区域内的图像数据，该点阵区域的宽度L大于钢流红外热图像的宽度N，高度H小于钢流红外热图像的高度M，提取图像数据为图像的高度和宽度；最后根据图像数据计算出该图像的灰度均值，计算公式为

式中W和H分别为钢流图像的宽度和高度，x(i，j)为该图像中点(i，j)的灰度值，

为该图像的灰度均值。而取点阵区域主要是完成把钢流图像数据提取出来，并将背景图像和干扰数据剔除。图像数据的提取步骤为：先根据背景图像和钢流图像灰度值的大小选取一个介于两者之间的灰度值作为阈值S，举例来说，假设钢流的温度在1500摄氏度对应热象仪图像灰度为200，而环境温度30摄氏度对应的图像灰度为50，可以选取灰度120作为阈值S；然后以阈值S为标准，对该区域图像进行二值化处理，即灰度值大于S的为1，小于S的为0；最后根据图像二值化结果计算出钢流所在区域，并提取钢流图像数据。在此需要说明的是，为了防止干扰信号对图像数据的影响，可采用测量n帧初始位置(同一位置)图像的灰度均值，并再取平均得出该初始位置(同一位置)图像的最终灰度均值，用以提高数值的稳定性和准确性。

在第二步中，将镜头4初次移动位置的图像灰度值与初始位置的图像灰度均值进行比较用以确定镜头4的移动方向：

若初次移动位置的图像灰度均值大于初始位置的图像灰度均值时，判定该镜头4的下一移动方向与初次移动方向相同；若初次移动位置的图像灰度均值小于初始位置的图像灰度均值时，判定该镜头4的下一移动方向与初次移动方向反向。

而在第三步和第四步中，获取图像的灰度均值、确定镜头4移动方向的方式均与第二步相同，即若后一次移动位置的图像灰度均值大于前一次位置的图像灰度均值时，判定该镜头4的下一次移动方向与之前移动方向相同；若后一次移动位置的图像灰度均值小于前一次位置的图像灰度均值时，判定该镜头4的下一次移动方向与之前移动方向反向。

并且在第三步、第四步和第五步中，每次镜头4方向发生转向后，即进行反向等距移动时，其移动距离要比转向前的移动距离小，从而逐次递减距离值。

第五步中判定对焦停止镜头4移动的方式也有两种：一种是，当前后两位置的图像灰度均值之差的绝对值小于或等于对焦判定阀值，即判定镜头4处于对焦位置；另一种是，当镜头4往复移动次数达到设定次数n，即判定镜头4处于对焦位置，经过多次试验和计算，设定次数一般取3次即可。

下面结合图3对本发明的对焦方法进行举例说明，

若镜头初始位置在初始位置在p2，计算此处的图像灰度均值为130，然后控制镜头进行移动，若移动至p1，其图像灰度均值为110，小于位置在p2的灰度均值，判定镜头移动方向为偏离对焦位置，因此需要反方转动镜头电机5，使镜头反向移动；若移动至p3，其灰度均值为148，大于在位置p2的灰度均值，因此判定镜头移动方向为接近对焦位置，控制镜头继续沿此方向移动；同理，镜头连续移动至p4、p5、p6，由于在位置p6的灰度均值为170小于在p5的灰度均值219，可以确定对焦位置肯定在p4和p6之间区域内。此时减小镜头的移动距离(为之前的三分之一)，同时将对焦判定阀值设定为ΔY＝3；镜头反向移动至q1，其灰度均值为190，大于P6的灰度均值，两者之差为20，大于ΔY，未满足对焦条件，继续控制镜头移动至q2(灰度均值为214)、q3(灰度均值为217)，由于q3和q2之间的灰度均值之差为3，等于ΔY，满足镜头对焦条件，因此可判定镜头4处于对焦位置，完成对焦。

这里要说明的是，ΔY为对焦点判定阈值，该值可以根据对焦精度来确定，取值越小对焦精度越高。如果ΔY取得很小，镜头往复移动的次数可能会很多，所以还有一种对焦判定的依据，就是根据镜头4往复移动的次数，由于每次镜头的往复过程，都是缩小对焦位置所在区域的过程，因而往复移动的次数一般取为3次，即可达到较高的对焦精度。

综上所述，本发明的对焦方法通过计算机接收并计算出图像的灰度均值，并根据镜头对焦位置的图像灰度均值最大的原理，控制镜头电机驱动镜头进行自动对焦，即使在镜头初始位置离对焦位置比较远的情况下，也能在两秒钟左右的时间内完成对焦，从而快速、准确的实现自动对焦，满足转炉出钢的实时监控作业的需求。

计算机接收并计算处理，并可以实现红外热像仪的快速自动对焦，

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (7)

1.一种用于转炉出钢监控的红外热像仪对焦方法，其特征在于，

该对焦方法包括以下步骤：

A.采用红外热像仪镜头采集在初始位置的钢流红外热图像，并计算出初始位置的图像灰度均值；

B.控制镜头移动至另一位置，计算出该位置的图像灰度均值，并与初始位置的图像灰度均值比较，以确定镜头移动方向；

C.控制镜头沿步骤B中确定方向进行等距移动，分别获取各移动位置的图像灰度均值，并依次进行比较，直至确定镜头移动方向与前一次移动方向相反；

D.继续控制镜头沿步骤C中确定方向进行等距移动，且移动距离小于步骤C中的移动距离，同样分别获取各移动位置的图像灰度均值，并依次进行比较，直至确定镜头移动方向与前一次移动方向相反；

E.重复步骤C和D，并在每次镜头发生转向时，递减镜头的移动距离，从而控制镜头往复移动并逐步缩小移动范围，直至镜头处于对焦位置，完成对焦。

2.如权利要求1所述的用于转炉出钢监控的红外热像仪对焦方法，其特征在于，

所述的步骤A包括：

A1.采用红外热像仪镜头采集一帧在初始位置的钢流红外热图像；

A2.通过计算机选取图像中钢流所在位置的一块点阵区域，并提取点阵区域内的图像数据；

A3.根据图像数据计算出该图像的灰度均值，计算公式为

式中W和H分别为钢流图像的宽度和高度，x(i，j)为该图像中点(i，j)的灰度值，

为该图像的灰度均值。

3.如权利要求2所述的用于转炉出钢监控的红外热像仪对焦方法，其特征在于，

在所述的步骤A2中，选取的点阵区域的宽度大于钢流红外热图像的宽度，高度小于钢流红外热图像的高度。

4.如权利要求2或3所述的用于转炉出钢监控的红外热像仪对焦方法，其特征在于，

所述的步骤A还包括：

A4.重复步骤A1至A3获得N帧初始位置图像的灰度均值，并再取平均得出该初始位置图像的最终灰度均值。

5.如权利要求4所述的用于转炉出钢监控的红外热像仪对焦方法，其特征在于，

在所述的步骤B中：

若初次移动位置的图像灰度均值大于初始位置的图像灰度均值时，判定该镜头的下一移动方向与初次移动方向相同；

若初次移动位置的图像灰度均值小于初始位置的图像灰度均值时，判定该镜头的下一移动方向与初次移动方向反向。

6.如权利要求5所述的用于转炉出钢监控的红外热像仪对焦方法，其特征在于：

在所述的步骤C和D中：

若后一次移动位置的图像灰度均值大于前一次位置的图像灰度均值时，判定该镜头的下一次移动方向与之前移动方向相同；

若后一次移动位置的图像灰度均值小于前一次位置的图像灰度均值时，判定该镜头的下一次移动方向与之前移动方向反向。

7.如权利要求6所述的用于转炉出钢监控的红外热像仪对焦方法，其特征在于，

在所述的步骤E中：

当前后两位置的图像灰度均值之差的绝对值小于或等于对焦判定阀值，即判定镜头处于对焦位置；

或者，当镜头往复移动次数达到设定次数，即判定镜头处于对焦位置。

Images